污水源热泵节能系统的工程应用

污水源热泵节能系统的工程应用 

王安民  曹振婷  石光

天津市金大地能源工程技术有限公司  

摘要：污水源热泵技术是一项直接利用污水中的能量进行冬季采暖、夏季空调，全年生活热水供应的技术。该技术具有明显的节能环保效应并实现了低位能向高位能的转化。本文主要叙述了在天津公馆建设项目中采用污水源热泵技术实现冬季采暖、夏季制冷和全年生活热水供应，阐明了推广污水源热泵这个可再生能源应用技术的广阔的发展前景和良好的环保效应和经济效益。

关键词：污水源热泵、低位能、节能、社会效应

Sewage Water Source Heat Pump Technology Used in The Energy-Saving Project

Wang An’ming, Cao Zhenting, Shi Guang

Tianjin Jindadi Energy Engineering Technology Co., Ltd.

Abstract：The “Sewage Water Source Heat Pump Technology”, making the direct use of sewage water as a heating and cooling source, has made profound influence on energy conservation and environmental protection. Besides that the technology turns low-grade energy into high-grade energy. This article deals with the application of sewage source heat pump system used in Tianjin Chateau for air-conditioning, heating and hot water system. The applications of sewage water source heat pump, which has a bright prospect, will bring significantly positive influence on both energy conservation and economic efficiency.

 Key Words：Sewage Water Source Heat Pump, low-grade energy, energy-saving, social effect

引言：

    污水源热泵系统是以污水中的能量为低位能，通过少量电能输入，采用间接换热和热泵技术，开发利用污水中不易利用的低位能量，使其变成可利用的高位能。它不仅能满足冬季供暖、夏季供冷的需求，同时还可以提供生活热水，具有一机三用的功能。由于利用了污水中的低品位热能，通常情况下，输入1kW 电能可获得4kW以上的冷量或5kW以上的热能，其运行费用和初投资大大低于传统的供热供冷方式。

• 项目简介   

    天津公馆污水源热泵空调工程是目前天津市首例应用城市原生污水作为冷热源的工程。该工程位于天津市解放南路与绍兴道交口，由A、B、C三座单体建筑组成，主要功能为商业、办公、住宅。其中公建面积为1.9万m²；住宅面积为3.5万m²；天津公馆附近污水干渠位于台儿庄路路面以下，渠深约3m，渠宽约2.4m，为马蹄形涵洞，建于上世纪50年代，根据天津市排管处提供的污水资料，该污水干渠最低小时流量为3600t/h，污水PH值≈7.0，污水最低温度为13℃（2006年12月实测值为14℃）。

• 设计内容

本次设计范围主要为：

• 热泵机房原生污水源热泵系统用户侧工艺管道设计

• 室内污水送、回水工艺管道设计

• 热泵机房原生污水源热泵系统工艺控制方案设计

• 室外污水泵井工艺设计

通过以上设计， 该工程利用天津公馆附近污水干渠的原生污水来实现对本工程8800m²（1-5F）的空调供冷/供热、34800 m²（6-26F）的采暖供热以及450户的生活热水供应。

• 原生污水源热泵系统可靠性论证及系统优化配置

3.1 城市污水的主要热特性

    城市污水温度变化幅度较小，与环境温度相比，表现为冬暖夏凉。与河水以及空气的温度相比较，城市污水温度在冬季最高、夏季最低，可见, 城市污水在冬季可作为供暖系统的热源，在夏天做为空调系统的冷源。

3.2 污水源热泵原理图  

图1、污水源热泵原理图

3.3 污水源热泵流道式换热器技术介绍

3.3.1污水流道式换热器的技术原理介绍：

    流道式换热技术是介于管壳式换热和板式换热之间的一种换热技术，污水换热器内的流道是单流道，污水进入换热器后仅走一个流道，因此可形象而简单地说，流道式换热器的每一管程只有一根“管子”，这样就增大了过流断面，解决了堵塞问题。特点如下：

（1）采用单流道，流道增大，以不会出现堵塞为限，具体数值是根据试验来确定的。事实上，污水进入换热器之前都是经污水泵抽送的，能够经过污水泵的悬浮物就能在换热器内顺畅地通过，一般不再有特大尺寸的杂质，基本上都是纤维状的较小的悬浮物。

（2）流道式换热器的结构特殊，清洗污垢时，污水侧的封板很容易拆卸，比拆卸管壳式换热器沉重的封头容易得多。且由于采用了单流道，流道数量很少，清洗工作量减少，清洗也更容易。

（3）由于采用了单流道，污水与清水采取全逆流结构可有效地提高换热效率。另外，污水在换热器内所走的流程长度达数百米以上，在换热器长度3-5米的情况下，污水在换热器内折流几十次，有效地提高了换热效率。

3.4 机组监测系统

    中央监控系统可以对热泵机组、水泵、管路温度、压差和液位等进行中央监控。系统在热泵机组的总出水管上安装出水温度传感器，根据系统出水温度的设定值自动控制热泵机组启停及加/卸载，保证系统出水温度恒定，达到一定的节能效果；该系统可以设置水泵控制点、反馈点、警报点，并根据实际情况进行液位控制、补水、控制管路之间压差，保持系统平衡，并提供相应的警报功能。

 图2、天津公馆中央监控系统构架图

3.5 天津公馆原生污水源热泵机组介绍

3.5.1喷淋式水源热泵机组

• 喷淋式（降膜式）蒸发器有效的提高换热效果，在冷凝器进/出水温度40℃/45℃；蒸发器进/出水温度12℃/7℃的工况条件下，比一般干式机组制冷量提高30%。（机组蒸发温度提高3至4℃）。

• 低压侧增压喷射泵的运用，以闪气槽中的闪气为动力，将蒸发器中的冷媒压力提升后，进入压缩机吸气端。

• 冷凝器：冷凝器采用高效专用换热管，独特的内部结构设计，比一般机组冷凝温度下降1℃至2℃。降低了压缩机耗功，提高了机组能效比。

• 油分、闪气槽，具有专利权的过滤式油分，油分离效果稳定。从根本解决了油分离效果较低而引起的机组运转效能衰减的问题。闪气槽在系统中的合理配置，使机组满载效率COP（kW/kW）值提高了10%。

• 孔口板，采用孔口板调整冷媒流量，安全可靠，无损坏，无维修费用，可满足机组负荷在12.5%至100%的准确调节。

3.5.2喷淋式中温型水源热泵机组制冷、制热变工况曲线：

 GB/T19409-2003标准制冷模式：

冷凝器进水温度18℃，△t=11℃；蒸发器出水温度7℃， △t=5℃

图3、  喷淋式中温型水源热泵制冷变工况曲线（R22、R134a）

 GB/T19409-2003标准制热模式：

冷凝器进水温度40℃，出水温度45℃；蒸发器进水温度15℃，出水温度7℃

图4、 喷淋式中温型水源热泵制热变工况曲线（R22、R134a）

• 原生污水源热泵系统在天津公馆应用中的经济性分析

利用城市污水冷热源，采用热泵技术为建筑物供热制冷，具有巨大的节能、环保及经济效益。

4.1天津公馆污水源热泵经济性分析基础数据

表1、天津公馆原空调、采暖系统设计概况

表2、天津公馆设计冷、热负荷

 表3、天津公馆各供热供冷方案经济性比较

• 原生污水源热泵系统在天津公馆应用中的环保性分析

5.1 节能效果预测分析

如果本项目使用的是火电，则有如下计算：

    燃煤发电的效率为1/3左右，热泵的能源利用效率为400%左右，两者综合得到热泵供热的能源利用效率为1.33 。而直接燃煤供热的能源利用效率仅为0.8左右（考虑到锅炉效率，燃烧效率等）。两者比较可知热泵供热比燃煤供热节煤40%左右。采暖时每使用一吨污水，可获取5000～10000千卡热能（与冬季污水的水温有关），相当于1.5～3 kg燃煤供热的有效热值。每利用1t污水，相当于可少燃煤2㎏左右。则本项目每年供热利用污水40万吨，节省标煤800吨左右。按使用20年计算，节煤潜力达16000吨。

5.2 环境影响分析

    污水热泵空调系统利用污水作为冷热源，污水经过换热设备后仅改变温度，再返回污水干渠，污水与其他系统不接触，不污染其他设备或系统。项目施工中，从污水支渠、干渠引/排污水将采用标准施工，保证原有支渠、干渠的功能和寿命不受到影响。这已经在北京悦都，弘利苑酒店等工程中得到验证。

环保效益：

    冬季采暖时，燃煤1kg将向大气排放3kg左右的CO₂，天津公馆污水源热泵系统每年可少向大气排放CO₂约2400吨，对减少温室气体的排放有重要的意义；在夏季空调时，空调废热被排放到了污水或地面水体中，而不是像常规空调那样通过冷却塔排放到大气中。可减轻 “热岛效应”。

• 关于系统其他节能措施

    天津公馆项目除了采用污水源热泵系统实现供暖、制冷、供生活热水的目的之外，还采用了以下节能措施：

1）轻量气泡混凝土：

    轻量气泡混凝土是一种新型的地板采暖隔热层材料，成品主要用于减轻建筑自身重量或用来替代聚苯板材料隔热。2）自适应节电控制方案：天津公馆将采用节电控制方案，该方案主要是对现有的电机设备实施节电技术改造，其总体节能目标为提高用电效率和用电质量，提高设备系统运行安全性和可靠性。3） 天津公馆节能运行控制装置应用的相关说明

    引用中央空调节能运行控制装置（国家专利号：200720123433.1)，用技术手段强制实施节能措施：夏季室内空调温度设置不得低于26℃,冬季室内空调温度设置不得高于20℃，而且限定开窗时间不得超过10秒、开门时间不得超过3分钟，否则空调自动关闭停用，直到关闭门窗后空调才恢复使用。这样做，可以极大的减少不必要浪费的空调能耗。

7、原生污水源热泵系统在工程应用中的前景展望

    本文通过对工程所在地市政资源的调研，对四种可行的冷、热源方案进行技术经济分析得出,原生污水源热泵系统不仅节能环保，而且还具有较好的经济效益。天津公馆是目前天津市首例应用城市原生污水作为冷热源的空调工程。该项目获得建设部、财政部可再生能源应用示范项目荣誉称号，获得国家补贴。

    自从原生污水源热泵技术应用到实际工程中开始，已经有近十个项目投入运行，运行状况良好。由于天津具有优越的地理位置和丰富的可再生能源开发潜力，所以该示范项目的影响力是巨大的；发展污水源热泵技术对天津市乃至全国的节能减排工作起到了促进作用。

参考文献

[1] 赵军，戴传山，地源热泵技术与建筑节能应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007年6月

[2] 孙德兴，吴荣华，原生污水源热泵的工程应用与设计研究[J].研究与试验，2006，No.3

[3] 吴荣华、孙德兴、张成虎，热泵冷热源城市原生污水的流动阻塞与换热特性[J]，暖通空调，2005

[4] 陆耀庆主编,实用供热空调设计手册[M]北京：中国建筑工业出版社，1993年6月

[5] 杜渐主编,建筑给水排水供热通风与空调专业[M] 北京：中国建筑工业出版社

[6] 尹军、陈雷、王鹤立，城市污水的资源再生及热能回收利用[M]，北京：化学工业出版社，2003

第一作者：

     姓名： 王安民    性别：男   出生年月：1962.11  技术职称：高级工程师

     姓名： 曹振婷    性别：女   出生年月：1984.10  技术职称：助理工程师

     姓名： 石光    性别：男   出生年月：1982.12     技术职称：助理工程师

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